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基于FPGA的 SPI通信设计（1）

news 2025/7/19 0:13:12

引言

低速通信目前搞过 UART串口通信、IIC通信。其实 SPI 也算是中低速（有时也可以用作高速通信）串行通信的范畴，但是一直还没真正实现过，所以此系列就 SPI的协议以及FPGA设计作几篇博客记录。欢迎订阅关注~

SPI 标准协议 x1模式

SPI 是一种事实标准，由Motorola开发，支持全双工通信，并没有一个官方标准。已知的有的器件SPI已达到50Mbps，如果时序满足，FPGA的SPI通信速率可以达到100Mbps以上。具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。

设备通信框图

SPI通信主设备：

SCLK：SPI 通信时钟，源：SPI 主设备。

MOSI：SPI 主设备控制器数据发送，源：SPI 主设备。Master Out Slave In

MISO：SPI 主设备控制器数据接收，源：SPI 从设备。Master In Slave Out

SS：从设备片选，源：SPI 主设备。Slave Select

SPI通信从设备：

SCLK：SPI 通信时钟，源：SPI 主设备。

SIMO：SPI 从设备控制器数据接收，源：SPI 主设备。Slave In Master Out

SOMI：SPI 从设备控制器数据发送，源：SPI 从设备。Slave Out Master In

SS：从设备片选，源：SPI 主设备。Slave Select

SPI 时序协议

SPI 串行同步时钟可以设置为不同的极性（Clock Polarity,CPOL)与相位(Clock Phase，CPHA)

CPOL(时钟极性)
决定在总线空闲时，同步时钟(SCK)信号线上的电位是高电平还是低电平。

当时钟极性为0时(CPOL=0), SCK信号线在空闲时为低电平;
当时钟极性为1时(CPOL=1) ,SCK信号线在空闲时为高电平;

CPHA(时钟的相位)
对于SPI主控制器决定了数据的更新时刻设计，对于SPI从控制器决定了数据的采样时刻。

当时钟相位为0时(CPHA=0)，在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样;
当时钟相位为1时(CPHA=1)，在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样;

以下我们给出CPOL和CPHA的共计4种情况。

1、CPOL = 0；CPHA = 0；

CPOL=0， CPHA=0默认SCLK为低电平，对于发送方，在对于第1个bit数据提前放到总线，建议提前0.5个SCK周期，对于接收方，数据在第1个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。

2、CPOL = 0；CPHA = 1；

CPOL=0， CPHA=1默认SCLK为低电平，对于发送方，在第1个SCLK的跳变沿更新(对于第一个bit 数据可以提前放到总线)对于接收方，数据在第2个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。

3、CPOL = 1；CPHA = 0；

CPOL=1，CPHA=0默认SCLK为高电平，对于发送方，在对于第1个bit 数据提前放到总线(建义提前0.5个SCK周期）对于接收方，数据在第1个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。

3、CPOL = 1；CPHA = 1；

CPOL=1 CPHA=1默认SCLK为高电平，对于发送方，在第1个SCLK的跳变沿更新(对于第一
个bit数据可以提前放到总线)对于接收方，数据在第2个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。